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11 \chapter{Un esempio completo di client/server TCP}
12 \label{cha:simple_TCP_sock}
14 In questo capitolo riprenderemo le funzioni trattate nel precedente, usandole
15 per scrivere una prima applicazione client/server che usi i socket TCP per una
16 comunicazione in entrambe le direzioni.
18 Inoltre prenderemo in esame, oltre al comportamento in condizioni normali,
19 anche tutti i possibili scenari particolari (errori, sconnessione della rete,
20 crash del client o del server durante la connessione) che possono avere luogo
21 durante l'impiego di un'applicazione di rete.
24 \section{Il servizio \texttt{echo}}
25 \label{sec:TCPsimp_echo}
27 L'applicazione scelta come esempio sarà un'implementazione elementare, ma
28 completa, del servizio \texttt{echo}. Il servizio \texttt{echo} è uno dei
29 servizi standard solitamente provvisti direttamente dal superserver
30 \cmd{inetd}, ed è definito dall'RFC~862. Come dice il nome il servizio deve
31 rimandare indietro sulla connessione i dati che gli vengono inviati; l'RFC
32 descrive le specifiche sia per TCP che UDP, e per il primo stabilisce che una
33 volta stabilita la connessione ogni dato in ingresso deve essere rimandato in
34 uscita, fintanto che il chiamante non ha chiude la connessione; il servizio
37 Nel nostro caso l'esempio sarà costituito da un client che legge una linea di
38 caratteri dallo standard input e la scrive sul server, il server leggerà la
39 linea dalla connessione e la riscriverà all'indietro; sarà compito del client
40 leggere la risposta del server e stamparla sullo standard output.
42 Si è scelto di usare questo servizio, seguendo l'esempio di \cite{UNP1},
43 perché costituisce il prototipo ideale di una generica applicazione di rete in
44 cui un server risponde alle richieste di un client; tutto quello che cambia
45 nel caso si una applicazione più complessa è la elaborazione dell'input del
46 client da parte del server nel fornire le risposte in uscita.
48 Partiremo da un'implementazione elementare che dovrà essere rimaneggiata di
49 volta in volta per poter tenere conto di tutte le evenienze che si possono
50 manifestare nella vita reale di un'applicazione di rete, fino ad arrivare ad
51 un'implementazione completa.
53 \subsection{La struttura del server}
54 \label{sec:TCPsimp_server_main}
56 La prima versione del server, \file{ElemEchoTCPServer.c}, si compone di un
57 corpo principale, costituito dalla funzione \code{main}. Questa si incarica
58 di creare il socket, metterlo in ascolto di connessioni in arrivo e creare un
59 processo figlio a cui delegare la gestione di ciascuna connessione. Questa
60 parte, riportata in \figref{fig:TCPsimpl_serv_code}, è analoga a quella vista
61 nel precedente esempio esaminato in \secref{sec:TCPel_cunc_serv}.
66 /* Subroutines declaration */
67 void ServEcho(int sockfd);
68 /* Program beginning */
69 int main(int argc, char *argv[])
73 struct sockaddr_in serv_add;
76 if ( (list_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
77 perror("Socket creation error");
80 /* initialize address */
81 memset((void *)&serv_add, 0, sizeof(serv_add)); /* clear server address */
82 serv_add.sin_family = AF_INET; /* address type is INET */
83 serv_add.sin_port = htons(13); /* daytime port is 13 */
84 serv_add.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); /* connect from anywhere */
86 if (bind(list_fd, (struct sockaddr *)&serv_add, sizeof(serv_add)) < 0) {
90 /* listen on socket */
91 if (listen(list_fd, BACKLOG) < 0 ) {
92 perror("listen error");
95 /* handle echo to client */
97 /* accept connection */
98 if ( (conn_fd = accept(list_fd, NULL, NULL)) < 0) {
99 perror("accept error");
102 /* fork to handle connection */
103 if ( (pid = fork()) < 0 ){
104 perror("fork error");
107 if (pid == 0) { /* child */
108 close(list_fd); /* close listening socket */
109 SockEcho(conn_fd); /* handle echo */
111 } else { /* parent */
112 close(conn_fd); /* close connected socket */
115 /* normal exit, never reached */
119 \caption{Codice della funzione \code{main} della prima versione del server
120 per il servizio \texttt{echo}.}
121 \label{fig:TCPsimpl_serv_code}
124 La struttura di questa prima versione del server è sostanzialmente identica a
125 quella dell'esempio citato, ed ad esso si applicano le considerazioni fatte in
126 \secref{sec:TCPel_cunc_daytime}. Le uniche differenze rispetto all'esempio in
127 \figref{fig:TCPel_serv_code} sono che in questo caso per il socket in ascolto
128 viene usata la porta 7 e che tutta la gestione della comunicazione è delegata
129 alla funzione \code{ServEcho}.
130 % Per ogni connessione viene creato un
131 % processo figlio, il quale si incarica di lanciare la funzione
134 Il codice della funzione \code{ServEcho} è invece mostrata in
135 \figref{fig:TCPsimpl_server_elem_sub}, la comunicazione viene gestita
136 all'interno del ciclo (linee \texttt{\small 6--8}). I dati inviati dal client
137 vengono letti dal socket con una semplice \func{read} (che ritorna solo in
138 presenza di dati in arrivo), la riscrittura viene invece gestita dalla
139 funzione \func{FullWrite} (descritta in \figref{fig:sock_FullWrite_code}) che
140 si incarica di tenere conto automaticamente della possibilità che non tutti i
141 dati di cui è richiesta la scrittura vengano trasmessi con una singola
147 void ServEcho(int sockfd) {
148 char buffer[MAXLINE];
151 /* main loop, reading 0 char means client close connection */
152 while ( (nread = read(sockfd, buffer, MAXLINE)) != 0) {
153 nwrite = FullWrite(sockfd, buffer, nread);
158 \caption{Codice della prima versione della funzione \code{ServEcho} per la
159 gestione del servizio \texttt{echo}.}
160 \label{fig:TCPsimpl_server_elem_sub}
163 Quando il client chiude la connessione il ricevimento del FIN fa ritornare la
164 \func{read} con un numero di byte letti pari a zero, il che causa l'uscita
165 dal ciclo e il ritorno della funzione, che a sua volta causa la terminazione
169 \subsection{Il client}
170 \label{sec:TCPsimp_client_main}
172 Il codice del client è riportato in \figref{fig:TCPsimpl_client_elem}, anche
173 esso ricalca la struttura del precedente client per il servizio
174 \texttt{daytime} (vedi \secref{sec:net_cli_sample}) ma, come per il server, lo
175 si è diviso in due parti, inserendo la parte relativa alle operazioni
176 specifiche previste per il protocollo \texttt{echo} in una funzione a parte.
180 int main(int argc, char *argv[])
183 * Variables definition
186 struct sockaddr_in serv_add;
189 if ( (sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
190 perror("Socket creation error");
193 /* initialize address */
194 memset((void *) &serv_add, 0, sizeof(serv_add)); /* clear server address */
195 serv_add.sin_family = AF_INET; /* address type is INET */
196 serv_add.sin_port = htons(7); /* echo port is 7 */
197 /* build address using inet_pton */
198 if ( (inet_pton(AF_INET, argv[optind], &serv_add.sin_addr)) <= 0) {
199 perror("Address creation error");
202 /* extablish connection */
203 if (connect(sock_fd, (struct sockaddr *)&serv_add, sizeof(serv_add)) < 0) {
204 perror("Connection error");
207 /* read daytime from server */
208 ClientEcho(stdin, sock_fd);
213 \caption{Codice della prima versione del client \texttt{echo}.}
214 \label{fig:TCPsimpl_client_elem}
217 La funzione \code{main} si occupa della creazione del socket e della
218 connessione (linee \texttt{\small 10--27}) secondo la stessa modalità spiegata
219 in \secref{sec:net_cli_sample}, il client si connette sulla porta 7
220 all'indirizzo specificato dalla linea di comando (a cui si è aggiunta una
221 elementare gestione delle opzioni non riportata in figura).
223 Completata la connessione, al ritorno di \func{connect}, la funzione
224 \code{ClientEcho}, riportata in \figref{fig:TCPsimpl_client_echo_sub}, si
225 preoccupa di gestire la comunicazione, leggendo una riga alla volta dallo
226 \file{stdin}, scrivendola sul socket e ristampando su \file{stdout} quanto
227 ricevuto in risposta dal server.
232 void ClientEcho(FILE * filein, int socket)
234 char sendbuff[MAXLINE], recvbuff[MAXLINE];
236 while (fgets(sendbuff, MAXLINE, filein) != NULL) {
237 FullWrite(socket, sendbuff, strlen(sendbuff));
238 nread = FullRead(socket, recvbuff, strlen(sendbuff));
240 fputs(recvbuff, stdout);
245 \caption{Codice della prima versione della funzione \texttt{ClientEcho} per
246 la gestione del servizio \texttt{echo}.}
247 \label{fig:TCPsimpl_client_echo_sub}
250 La funzione utilizza due buffer per gestire i dati inviati e letti sul socket
251 (\texttt{\small 3}). La comunicazione viene gestita all'interno di un ciclo
252 (linee \texttt{\small 5--10}), i dati da inviare sulla connessione vengono
253 presi dallo \file{stdin} usando la funzione \func{fgets} che legge una
254 linea di testo (terminata da un \texttt{CR} e fino al massimo di
255 \const{MAXLINE} caratteri) e la salva sul buffer di invio, la funzione
256 \func{FullWrite} (\texttt{\small 3}) scrive detti dati sul socket (gestendo
257 l'invio multiplo qualora una singola \func{write} non basti, come spiegato
258 in \secref{sec:sock_io_behav}).
260 I dati che vengono riletti indietro con una \func{FullRead} sul buffer di
261 ricezione e viene inserita la terminazione della stringa (\texttt{\small
262 7--8}) e per poter usare la funzione \func{fputs} per scriverli su
265 Un end of file inviato su \file{stdin} causa il ritorno di \func{fgets}
266 con un puntatore nullo e l'uscita dal ciclo, al che la subroutine ritorna ed
270 \section{Il funzionamento del servizio}
271 \label{sec:TCPsimpl_normal_work}
273 Benché il codice dell'esempio precedente sia molto ridotto, esso ci permetterà
274 di considerare in dettaglio tutte le problematiche che si possono incontrare
275 nello scrivere un'applicazione di rete. Infatti attraverso l'esame delle sue
276 modalità di funzionamento normali, all'avvio e alla terminazione, e di quello
277 che avviene nelle varie situazioni limite, da una parte potremo approfondire
278 la comprensione del protocollo TCP/IP e dall'altra ricavare le indicazioni
279 necessarie per essere in grado di scrivere applicazioni robuste, in grado di
280 gestire anche i casi limite.
283 \subsection{L'avvio e il funzionamento}
284 \label{sec:TCPsimpl_startup}
286 Il primo passo è compilare e lanciare il server (da root, per poter usare la
287 porta 7 che è riservata), alla partenza esso eseguirà l'apertura passiva con
288 la sequenza delle chiamate a \func{socket}, \func{bind}, \func{listen} e poi
289 si bloccherà nella \func{accept}. A questo punto si potrà controllarne lo
290 stato con \cmd{netstat}:
292 [piccardi@roke piccardi]$ netstat -at
293 Active Internet connections (servers and established)
294 Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address State
296 tcp 0 0 *:echo *:* LISTEN
299 che ci mostra come il socket sia in ascolto sulla porta richiesta, accettando
300 connessioni da qualunque indirizzo e da qualunque porta e su qualunque
303 A questo punto si può lanciare il client, esso chiamerà \func{socket} e
304 \func{connect}; una volta completato il three way handshake la connessione è
305 stabilita; la \func{connect} ritornerà nel client\footnote{si noti che è
306 sempre la \func{connect} del client a ritornare per prima, in quanto
307 questo avviene alla ricezione del secondo segmento (l'ACK del server) del
308 three way handshake, la \func{accept} del server ritorna solo dopo
309 un altro mezzo RTT quando il terzo segmento (l'ACK del client) viene
310 ricevuto.} e la \func{accept} nel server, ed usando di nuovo
311 \cmd{netstat} otterremmo che:
313 Active Internet connections (servers and established)
314 Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address State
315 tcp 0 0 *:echo *:* LISTEN
316 tcp 0 0 roke:echo gont:32981 ESTABLISHED
318 mentre per quanto riguarda l'esecuzione dei programmi avremo che:
320 \item il client chiama la funzione \code{ClientEcho} che si blocca sulla
321 \func{fgets} dato che non si è ancora scritto nulla sul terminale.
322 \item il server eseguirà una \func{fork} facendo chiamare al processo figlio
323 la funzione \code{ServEcho}, quest'ultima si bloccherà sulla \func{read}
324 dal socket sul quale ancora non sono presenti dati.
325 \item il processo padre del server chiamerà di nuovo \func{accept}
326 bloccandosi fino all'arrivo di un'altra connessione.
328 e se usiamo il comando \cmd{ps} per esaminare lo stato dei processi otterremo
329 un risultato del tipo:
331 [piccardi@roke piccardi]$ ps ax
332 PID TTY STAT TIME COMMAND
334 2356 pts/0 S 0:00 ./echod
335 2358 pts/1 S 0:00 ./echo 127.0.0.1
336 2359 pts/0 S 0:00 ./echod
338 (dove si sono cancellate le righe inutili) da cui si evidenzia la presenza di
339 tre processi, tutti in stato di \textit{sleep} (vedi
340 \tabref{tab:proc_proc_states}).
342 Se a questo punto si inizia a scrivere qualcosa sul client non sarà trasmesso
343 niente fin tanto che non si prema il tasto di a capo (si ricordi quanto detto
344 in \secref{sec:file_line_io} a proposito dell'I/O su terminale), solo allora
345 \func{fgets} ritornerà ed il client scriverà quanto immesso sul socket, per
346 poi passare a rileggere quanto gli viene inviato all'indietro dal server, che
347 a sua volta sarà inviato sullo standard output, che nel caso ne provoca
348 l'immediatamente stampa a video.
351 \subsection{La conclusione normale}
352 \label{sec:TCPsimpl_conclusion}
354 Tutto quello che scriveremo sul client sarà rimandato indietro dal server e
355 ristampato a video fintanto che non concluderemo l'immissione dei dati; una
356 sessione tipica sarà allora del tipo:
358 [piccardi@roke sources]$ ./echo 127.0.0.1
364 che termineremo inviando un EOF dal terminale (usando la combinazione di tasti
365 ctrl-D, che non compare a schermo); se eseguiamo un \cmd{netstat} a questo
368 [piccardi@roke piccardi]$ netstat -at
369 tcp 0 0 *:echo *:* LISTEN
370 tcp 0 0 localhost:33032 localhost:echo TIME_WAIT
372 con il client che entra in \texttt{TIME\_WAIT}.
374 Esaminiamo allora in dettaglio la sequenza di eventi che porta alla
375 terminazione normale della connessione, che ci servirà poi da riferimento
376 quando affronteremo il comportamento in caso di conclusioni anomale:
379 \item inviando un carattere di EOF da terminale la \func{fgets} ritorna
380 restituendo un puntatore nullo che causa l'uscita dal ciclo di
381 \code{while}, così la \code{ClientEcho} ritorna.
382 \item al ritorno di \code{ClientEcho} ritorna anche la funzione \code{main}, e
383 come parte del processo terminazione tutti i file descriptor vengono chiusi
384 (si ricordi quanto detto in \secref{sec:proc_term_conclusion}); questo causa
385 la chiusura del socket di comunicazione; il client allora invierà un FIN al
386 server a cui questo risponderà con un ACK. A questo punto il client verrà a
387 trovarsi nello stato \texttt{FIN\_WAIT\_2} ed il server nello stato
388 \texttt{CLOSE\_WAIT} (si riveda quanto spiegato in
389 \secref{sec:TCPel_conn_term}).
390 \item quando il server riceve il FIN la \func{read} del processo figlio che
391 gestisce la connessione ritorna restituendo 0 causando così l'uscita dal
392 ciclo e il ritorno di \code{ServEcho}, a questo punto il processo figlio
393 termina chiamando \func{exit}.
394 \item all'uscita del figlio tutti i file descriptor vengono chiusi, la
395 chiusura del socket connesso fa sì che venga effettuata la sequenza finale
396 di chiusura della connessione, viene emesso un FIN dal server che riceverà
397 un ACK dal client, a questo punto la connessione è conclusa e il client
398 resta nello stato \texttt{TIME\_WAIT}.
403 \subsection{La gestione dei processi figli}
404 \label{sec:TCPsimpl_child_hand}
406 Tutto questo riguarda la connessione, c'è però da tenere conto dell'effetto
407 del procedimento di chiusura del processo figlio nel server (si veda quanto
408 esaminato in \secref{sec:proc_termination}). In questo caso avremo l'invio del
409 segnale \const{SIGCHLD} al padre, ma dato che non si è installato un
410 gestore e che l'azione predefinita per questo segnale è quella di essere
411 ignorato, non avendo predisposto la ricezione dello stato di terminazione,
412 otterremo che il processo figlio entrerà nello stato di zombie\index{zombie}
413 (si riveda quanto illustrato in \secref{sec:sig_sigchld}), come risulterà
414 ripetendo il comando \cmd{ps}:
416 2356 pts/0 S 0:00 ./echod
417 2359 pts/0 Z 0:00 [echod <defunct>]
420 Poiché non è possibile lasciare processi zombie\index{zombie} che pur inattivi
421 occupano spazio nella tabella dei processi e a lungo andare saturerebbero le
422 risorse del kernel, occorrerà ricevere opportunamente lo stato di terminazione
423 del processo (si veda \secref{sec:proc_wait}), cosa che faremo utilizzando
424 \const{SIGCHLD} secondo quanto illustrato in \secref{sec:sig_sigchld}.
426 La prima modifica al nostro server è pertanto quella di inserire la gestione
427 della terminazione dei processi figli attraverso l'uso di un gestore.
428 Per questo useremo la funzione \code{Signal}, illustrata in
429 \figref{fig:sig_Signal_code}, per installare il semplice gestore che
430 riceve i segnali dei processi figli terminati già visto in
431 \figref{fig:sig_sigchld_handl}; aggiungendo il seguente codice:
434 /* install SIGCHLD handler */
435 Signal(SIGCHLD, sigchld_hand); /* establish handler */
441 all'esempio illustrato in \figref{fig:TCPsimpl_serv_code}, e linkando il tutto
442 alla funzione \code{sigchld\_hand}, si risolverà completamente il problema
443 degli zombie\index{zombie}.
449 %%% TeX-master: "gapil"